基于有限元的層間接觸對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)影響研究

冉升財(cái)

(徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 徐州市 221006)

0 引言

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2017)》中對(duì)瀝青路面力學(xué)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的規(guī)定，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算時(shí)，均采用多層彈性層狀連續(xù)模型。且施工規(guī)范要求，在面層施工前，需在基層上設(shè)置透層封層等層間粘結(jié)處治措施；瀝青各面層之間施工時(shí)，需要灑布粘層油，通過此類技術(shù)措施來保證各層之間形成緊密的整體[1]。但在路面實(shí)際施工過程中，由于材料和施工工藝等因素，導(dǎo)致基層和面層之間不能夠達(dá)到完全的連續(xù)接觸。如瀝青各面層結(jié)構(gòu)之間會(huì)因間斷施工、粘層油灑布不均以及施工車輛污染等因素導(dǎo)致層間接觸不連續(xù)，甚至產(chǎn)生滑動(dòng)[2-4]。路面使用過程中，在溫度、車輛荷載等綜合作用下，其層間接觸會(huì)逐漸變化，相應(yīng)的力學(xué)特性亦發(fā)生改變，路面的性能與設(shè)計(jì)時(shí)相比發(fā)生偏差[5-8]。目前對(duì)于路面層間粘結(jié)處治施工及設(shè)計(jì)進(jìn)行了較廣泛研究，但較多研究仍偏向于定性的分析[9]，對(duì)于不同接觸狀態(tài)下路面力學(xué)響應(yīng)具體的數(shù)值變化研究相對(duì)較少，且由于路面結(jié)構(gòu)形式及材料的差異導(dǎo)致相關(guān)研究缺乏針對(duì)性。

基于此，為了對(duì)層間接觸狀態(tài)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響有更為準(zhǔn)確的定性認(rèn)識(shí)，針對(duì)典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，采用Ansys有限元分析軟件，選取三種層間接觸狀態(tài)(連續(xù)、弱連續(xù)、光滑)，對(duì)不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行探討。

1 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置及模型建立

1.1 路面荷載模型參數(shù)設(shè)置

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)規(guī)范一般是將行車荷載的作用范圍按照?qǐng)A形均布荷載來計(jì)算。但現(xiàn)有的研究成果表明，當(dāng)輪胎與路面接觸時(shí)，其接觸面隨荷載的增加逐漸趨于矩形。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在建立荷載模型時(shí)，將荷載作用面積近似為矩形，考慮到輪胎胎面花紋的存在使得車輪與路面接觸的實(shí)際有效面積比印痕內(nèi)的總接地面積小。因此該文進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，不僅考慮了作用面積的折減，還考慮了車胎花紋的影響，并將其反映到接地長(zhǎng)度或?qū)挾壬?，因此采用的折減系數(shù)取75%。折減時(shí)輪胎整個(gè)作用面尺寸是固定不變的，為便于計(jì)算時(shí)每個(gè)單元的劃分，將折減形式簡(jiǎn)化為如圖1所示(陰影部分表示荷載作用位置)，荷載均勻地分布在陰影范圍內(nèi)。

圖1 輪胎接地面積及接地壓力

建立的荷載模型參數(shù)基于某品牌HF150重型貨車進(jìn)行計(jì)算，車型的相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)及計(jì)算參數(shù)

1.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

路面的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于其力學(xué)計(jì)算有著很大的影響，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)組合，其模型參數(shù)有較大的不同。該文擬采用典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，面層結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層結(jié)構(gòu)，基層和底基層均采用水泥穩(wěn)定碎石基層，材料抗壓回彈模量參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》。計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 半剛性基層路面結(jié)構(gòu)

1.3 有限元數(shù)值模型建立

根據(jù)已有的荷載和結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，在Ansys中建立三維路面結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。根據(jù)汽車軸載和輪胎接地面積的大小，為了消除尺寸效應(yīng)的影響，將模型的平面尺寸設(shè)置為2.5m×2.5m，Z向高度尺寸則根據(jù)計(jì)算的路面整體結(jié)構(gòu)厚度和設(shè)計(jì)理論彎沉值進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算單元設(shè)置為八節(jié)點(diǎn)等參數(shù)，結(jié)合路面實(shí)際情況設(shè)置四周及地面無位移的邊界限制條件。

圖2 三維有限元模型

基層與面層之間的層間接觸狀態(tài)分為完全連續(xù)、弱接觸及完全光滑3種(弱接觸時(shí)基層與面層之間設(shè)置接觸單元，摩擦系數(shù)為0.2，完全接觸時(shí)摩擦系數(shù)為0)，有限元模型如圖2所示。

2 不同接觸狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)分析

基層與面層之間接觸狀態(tài)的變化將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的變化，針對(duì)層間不同接觸狀態(tài)(包括連續(xù)、弱接觸及光滑3種狀態(tài))，對(duì)典型路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，主要分析瀝青層底拉應(yīng)力(變)，基層底基層拉應(yīng)力、各種結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力及瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如表3～表6所示。

表3 不同接觸狀態(tài)下瀝青層底拉應(yīng)力(單位：MPa)

表4 不同接觸狀態(tài)下瀝青層底拉應(yīng)變

表5 不同接觸狀態(tài)下層間剪應(yīng)力

表6 不同接觸狀態(tài)下基層拉應(yīng)力(單位：MPa)

表7 不同接觸狀態(tài)下瀝青層最大剪應(yīng)力及路表彎沉

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知：

(1)不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層縱向拉應(yīng)力對(duì)比：

①在層間完全連續(xù)條件下，瀝青各結(jié)構(gòu)層層底均受壓應(yīng)力，而當(dāng)層間接觸狀態(tài)變?yōu)槿踅佑|時(shí)，瀝青結(jié)構(gòu)層層底為拉應(yīng)力，而當(dāng)層間完全光滑時(shí)，瀝青層層底拉應(yīng)力迅速增大，尤其是下面層層底縱向拉應(yīng)力急劇增大到0.1860MPa，極大地增大了發(fā)生橫向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)；

②基層和底基層層底拉應(yīng)力的對(duì)比也說明了層間接觸狀態(tài)由連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瑢?dǎo)致基層和底基層層底拉應(yīng)力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應(yīng)力的增幅要小得多；

③盡管瀝青層底承受水平向的壓應(yīng)力，但是其仍處于一定的拉應(yīng)力狀態(tài)中，這也說明我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中仍以瀝青層底部的拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，是值得商榷的。

(2)瀝青各結(jié)構(gòu)層底部的拉應(yīng)變變化：層間接觸變?nèi)鯇?huì)導(dǎo)致瀝青層底拉應(yīng)變?cè)龃螅渲腥砸韵旅鎸拥撞康目v向拉應(yīng)變的增幅最大，光滑條件下層間的縱向拉應(yīng)變比完全連續(xù)時(shí)的大6倍以上。

(3)不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力對(duì)比：

①在光滑狀態(tài)下基層與面層之間的橫向?qū)娱g剪應(yīng)力為0.0101MPa，這主要是受到邊界條件的影響，如果邊界無約束條件，當(dāng)層間光滑時(shí)，層間剪應(yīng)力應(yīng)該為0，與層間連續(xù)時(shí)相比大為減?。?/p>

②中面層與下面層之間、中面層與上面層之間的剪應(yīng)力，隨著層間接觸條件變?yōu)楣饣?，略有增大，但是增幅有限?/p>

(4)不同接觸狀態(tài)下路表彎沉對(duì)比：路表彎沉受層間接觸狀態(tài)的影響較大，與層間連續(xù)時(shí)相比，層間光滑時(shí)路表彎沉增大了12.5%，可以看出層間接觸狀態(tài)對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響很大。

3 結(jié)論

采用有限元程序建立路面結(jié)構(gòu)模型，通過對(duì)不同層間接觸條件下瀝青路面面層結(jié)構(gòu)分析，得出以下結(jié)論：

(1)在層間完全連續(xù)條件下，瀝青各結(jié)構(gòu)層層底均受壓應(yīng)力，而當(dāng)層間接觸狀態(tài)變?yōu)槿踅佑|時(shí)，瀝青結(jié)構(gòu)層層底變?yōu)槔瓚?yīng)力，而當(dāng)層間完全光滑時(shí)，瀝青層層底拉應(yīng)力迅速增大，路表彎沉也急劇增大，極大地增加了發(fā)生橫向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)基層和底基層層底拉應(yīng)力的對(duì)比也說明了層間接觸狀態(tài)由連續(xù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣?，將?dǎo)致基層和底基層層底拉應(yīng)力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應(yīng)力的增幅要小得多。

(3)盡管瀝青層底承受水平向的壓應(yīng)力，但是其仍處于一定的拉應(yīng)變狀態(tài)中，這也說明我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中仍以瀝青層底部的拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，是值得商榷的。

(4)結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)的變化將會(huì)引起結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力波動(dòng)，使得主應(yīng)力應(yīng)變向不利方向發(fā)展，所以路面層間接觸的設(shè)計(jì)和施工顯得更加重要。